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MARCELO MENDES DE CARVALHO
ESTUDO DE EQUILÍBRIO DE FASES PARA SISTEMAS AQUOSOS BIFÁSICOS COMPOSTOS POR POLI (ETILENO GLICOL) 6000, SULFATO
DE COBRE OU SULFATO DE ZINCO E ÁGUA, EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA.
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos, para obtenção do título de “Magister Scientiae”.
VIÇOSA MINAS GERAIS – BRASIL
2007
MARCELO MENDES DE CARVALHO
ESTUDO DE EQUILÍBRIO DE FASES PARA SISTEMAS AQUOSOS BIFÁSICOS COMPOSTOS POR POLI (ETILENO GLICOL) 6000, SULFATO
DE COBRE OU SULFATO DE ZINCO E ÁGUA, EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA.
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos, para obtenção do título de “Magister Scientiae”.
APROVADA: 26 de fevereiro de 2007. _______________________________ ________________________________ Profª Jane Sélia dos Reis Coimbra Prof. Luis Henrique Mendes da Silva (Co-Orientadora) (Co-Orientador) ____________________________________ _______________________________ Drª Maria Cristina Bevitori Maffia de Oliveira Profª. Maria do Carmo Hespanhol da Silva ________________________________ Prof. Luis Antonio Minim (Orientador)
ii
À dona Geralda, exemplo de mãe, de vida, de amor
incondicional, de retidão, de ser humano, a minha mãe é
perfeita!
Ao Sô Valdir (in memorian), o homem que construiu a base do
que hoje sou e depois partiu para junto dos bons.
iii
AGRADECIMENTOS A Deus, que me presenteou com a vida e sempre me guardou.
A meus pais, que me propiciaram um seio familiar saudável e
harmônico, ensinando tudo com o exemplo do amor. Aos meus irmãos,
Jucélia, Vinícius e Ricardo, tenho certeza que sempre estaremos juntos.
Ao professor Luís Antônio Minim, que estendeu a mão e me ajudou a
galgar mais um degrau, obrigado pela compreensão, apoio e paciência.
Espero poder retribuir e tê-lo como amigo sempre.
À professora Jane Sélia dos Reis Coimbra que sempre me recebeu
com um sorriso e além de grandes conselhos nunca se cansou de incentivar.
Ao professor Luis Henrique Mendes da Silva, por acreditar e
impulsionar, eu nem chegaria no final sem sua ajuda. Obrigado pela
amizade e por todos os debates não científicos.
À Universidade Federal de Viçosa que por longos anos vem me
acolhendo e oferecendo sempre uma formação de qualidade.
Ao Departamento de Tecnologia de alimentos, em especial ao
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos pela
acolhida e oportunidade de me aperfeiçoar.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(Capes), pelo auxílio financeiro.
À professora Maria do Carmo Hespanhol da Silva e a Drª Maria
Cristina Bevitori Maffia de Oliveira, pela participação na banca e pelas
valiosas sugestões apresentadas.
Aos amigos Rafael, Sérgio, Rosana, Tarliane, Osmar, Oscar, Edwin,
Regina, Bruno, Roberta, Aléxia, Fabíola, Gisele, Roney, Simone, Érica, Elisa
(Kika) e Pricilla, e a todos do LPS que estiveram presentes e me deram
força, inclusive aos que, por displicência, eu não me tenha agradecido.
Aos técnicos da absorção atômica Ricardo e Carlos, e aos
funcionários do departamento de alimentos, pela mão sempre disposta a
ajudar.
iv
Aos companheiros de república, Alfredo, Renato, Daniel, André,
Henrique, Hadriel, Marcelo e Bruno. Dividimos o espaço e somamos nossas
vidas, é sempre bom ter amigos para passar todas as horas.
Aos meus irmãos/amigos Leonardo, Rodrigo e Vitor, companheiros de
longa data e para longas datas, é muito bom tê-los por perto. Gordy muito
obrigado pelas grandes contribuições.
Ao amigo Anderson Fuzer, por suas colaborações e papos sempre
tranqüilos e apaziguadores.
À Vanessa, que mesmo de longe me deu muita força, principalmente
nas viradas de noites que eu passava escrevendo.
A todas as pessoas que direta ou indiretamente fizeram parte deste
trabalho, e que eu tenho falhado de não mencionar, meus sinceros
agradecimentos.
v
BIOGRAFIA
É verão, janeiro de 1971, em uma maternidade de Coronel Fabriciano
nasce Marcelo Mendes de Carvalho, é dia 15, no 16 a mãe, Geralda
Madalena Mendes Carvalho e o pai, Valdir Lopes de Carvalho, já estão de
volta a pequena Belo Oriente, no interior de Minas, onde o menino vai
crescer e passar a infância e a adolescência.
Assim como a vida, os estudos seguem tranqüilos, e em 1988 o
jovem Marcelo conclui o curso técnico em Contabilidade. Não satisfeito, e
depois de uma breve parada, muda de área e entre 1991 e 1992 faz o curso
técnico em Química no Colégio Técnico de Coronel Fabriciano – CTCF.
Em 1993, se vê frente a uma importante escolha, UFJF ou UFV, como
sempre presou pela simplicidade, escolhe a menor sigla e cidade, UFV –
Universidade Federal de Viçosa, para fazer a graduação em Química
(bacharelado e licenciatura), que é concluída em 1998.
Recém saído da universidade, começa a trabalhar como professor de
química em colégios públicos e particulares de Ipatinga – MG. Em 2000 volta
a ser estudante, é o primeiro retorno à UFV, periodicamente esta nas salas
de aula da Pós-graduação Lato Sensu em Ensino de Química, concluída em
2001.
Mais uma parada na vida acadêmica, e em março de 2004 é aceito no
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Alimentos da
UFV, segundo retorno, agora o objetivo é o mestrado, que depois de vários
problemas pelo caminho, esta sendo concluído.
vi
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................... viii ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................ ix RESUMO..................................................................................................... x ABSTRACT ................................................................................................ xi INTRODUÇÃO ............................................................................................ 1 OBJETIVOS GERAIS.................................................................................. 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................... 3 CAPÍTULO 1................................................................................................ 1 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................. 4
1.1 – Sistemas aquosos bifásicos........................................................... 5
1.1.1 – Tensão interfacial...................................................................... 10
1.1.3 – Efeito da temperatura sobre o equilíbrio de fases .................... 18
1.1.3 – Efeito da massa molar do polímero sobre o equilíbrio de fases 20
1.2 – Componentes dos sistemas aquosos bifásicos ........................... 22
1.2.1 – Poli (etileno glicol) (PEG).......................................................... 22
1.2.2 – Sulfato de zinco e sulfato de cobre........................................... 23
2. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................... 24 2.1 – Reagentes ................................................................................... 24
2.2 – Equipamentos.............................................................................. 24
2.3 – Métodos ....................................................................................... 24
2.3.1 – Titulação turbidimétrica............................................................. 24
2.3.2 – Preparo dos sistemas aquosos bifásicos.................................. 25
2.3.3 – Determinação dos dados de equilíbrio...................................... 27
2.3.3.1 – Coleta das fases .................................................................... 27
2.3.3.2 – Densidade.............................................................................. 27
2.3.3.3 – Volume das fases .................................................................. 28
2.3.3.4 – Quantificação do teor de água............................................... 30
2.3.3.5 – Quantificação do sulfato de cobre e do sulfato de zinco ........ 30
2.3.3.6 – Quantificação do teor de poli (etileno glicol) .......................... 31
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................... 32
vii
CAPÍTULO 2 ............................................................................................. 38 RESUMO................................................................................................... 38 1 – INTRODUÇÃO ................................................................................... 39 2 – MATERIAS E MÉTODOS .................................................................. 40 3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................... 41 4 – CONCLUSÃO .................................................................................... 53 5 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ................................................. 54
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
Figura 1: Sistema aquoso composto por PEG e Levana. .............................. 9
Figura 2: Tensão interfacial. ........................................................................ 10
Figura 3: Diagrama de fase em coordenadas triangulares .......................... 15
Figura 4: Diagrama de fases expresso em coordenadas retangulares........ 16
CAPÍTULO 2
Figura51: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de cobre e água, nas temperaturas de 5 e 35 ºC. ........................................................................................................... 44
Figura52: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de cobre e água, nas temperaturas de 10 e 45 ºC. ........................................................................................................... 44
Figura63: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de zinco e água, nas temperaturas de 5 e 35 ºC...................................................................................................................... 45
Figura64: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de zinco e água, nas temperaturas de 10 e 45 ºC. ................................................................................................................ 45
Figura75: Linhas de amarração para o sistema formado por PEG 6000, sulfato de cobre e água. .............................................................................. 47
Figura86: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 5 ºC..................................................................................... 49
Figura97: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 10 ºC.................................................................................. 50
ix
Figura108: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 35 ºC.................................................................................. 50
Figura119: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 45 ºC.................................................................................. 51
ÍNDICE DE TABELAS
CAPÍTULO 1
Tabela 1 – Sistemas aquosos bifásicos e seus componentes. ...................... 7
Tabela 2 – Tensão Interfacial ...................................................................... 12
Tabela 3 – Tensão Interfacial em SAB’s formados por PEG, K2HPO4 e água..................................................................................................................... 12
CAPÍTULO 2
Tabela41: Frações mássicas (% m/m) para os sistemas formados por PEG 6000 g.mol-1, sulfato de cobre e água, em diferentes temperaturas. ........... 42
Tabela52: Frações mássicas (% m/m) para os sistemas formados por PEG 6000 g.mol-1, sulfato de zinco e água, em diferentes temperaturas............. 43
Tabela63: Influência da temperatura sobre a inclinação das linhas de amarração (ILA) para o sistema PEG 6000, sulfato de cobre e água.......... 47
Tabela74: Influência da temperatura sobre a inclinação das linhas de amarração (ILA) para o sistema PEG 6000, sulfato de zinco e água. ......... 48
Tabela85: Influência da temperatura sobre o comprimento das linhas de amarração (CLA) para o sistema PEG 6000, sulfato de cobre e água. ....... 48
Tabela96: Influência da temperatura sobre o comprimento das linhas de amarração (CLA) para o sistema PEG 6000, sulfato de zinco e água......... 49
x
RESUMO
CARVALHO, Marcelo Mendes de, M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, fevereiro de 2007. Estudo de equilíbrio de fases para sistemas aquosos bifásicos compostos por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água, em função da temperatura Orientador: Luis Antônio Minim. Co-Orientadores: Jane Sélia dos Reis Coimbra e Luís Henrique Mendes da Silva.
Neste trabalho foram determinados diagramas de equilíbrio para
sistemas aquosos bifásicos compostos por poli (etileno glicol) (PEG) 6000
g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água, nas temperaturas de (5,
10, 35 e 45) ºC. Cada diagrama foi composto por cinco linhas de amarração.
Na quantificação dos componentes das fases, os teores de sal e água foram
obtidos, respectivamente, por medidas de absorção atômica e liofilização. O
conteúdo de PEG foi calculado por diferença. Os efeitos da temperatura e do
tipo de sal sobre o equilíbrio do sistema foram analisados. Observou-se, de
forma geral, o aumento da região bifásica com a elevação da temperatura.
Houve também um incremento na diferença entre as propriedades intensivas
do sistema com a variação da temperatura, o que pode ser observado pela
variação dos dados de comprimento da linha de amarração. Quanto ao
efeito do tipo de sal, os sistemas aquosos bifásicos estudados compartilham
o mesmo ânion (SO42-) e têm cátions com valências iguais (Cu2+ e Zn2+). A
maior capacidade de indução de fases foi observada para o Zn2+. O seu
∆hidG é muito próximo ao do Cu2+(embora um pouco menos negativo) o que
indica que outros fatores como menor raio iônico e maior solubilidade em
água parecem contribuir de forma mais contundente para o resultado
encontrado.
xi
ABSTRACT
CARVALHO, Marcelo Mendes de, M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, February, 2007. Study of phase equilibria to aqueous two-phase systems containing polyethylene glycol 6000, copper sulphate or zinc sulphate and water, in function of the temperature. Adviser: Luis Antônio Minim. Co-Advisers: Jane Sélia dos Reis Coimbra and Luís Henrique Mendes da Silva.
In this work, equilibrium diagrams for aqueous two-phase systems
composed by polyethylene glycol (PEG) 6000 g.mol-1, copper sulfate or zinc
sulfate and water were determined in the temperatures of 5, 10, 35 and 45
ºC. Each diagram was composed by five tie lines. In the quantification of the
phase’s components, the salt and water contents were determined,
respectively, by atomic absorption and liofilization measurements. The PEG
content was calculated by difference. The effects of the temperature and salt
type on the aqueous systems were analyzed. It was observed, in a general
way, an increase in the two-phase area with the elevation of the temperature.
There was also an increment in the difference between the intensive
properties of the system with the temperature variation, what can be
observed by the variation of the tie lines length data. In relation to the salt
type effect, the aqueous two-phase systems studied share the same anion
(SO42-) and they have cations with same valences (Cu2+ and Zn2+). The
highest capacity of phase’s induction was observed for Zn2+. Its ∆hidG is very
close to that of Cu2+ (although a little less negative) what indicates that other
factors as smaller ionic radius and larger water solubility (ZnSO4) seem to
contribute in a more incisive way to the observed result.
1
INTRODUÇÃO
Quando se misturam, uma solução aquosa de poli (etileno glicol) a
outra solução aquosa, de um segundo polímero, como a Dextrana, ou de um
sal inorgânico, como o fosfato de potássio (em determinadas faixas de
composição e temperatura), ocorre separação de duas fases distintas.
A formação de duas fases líquidas em equilíbrio são observadas com
freqüência em sistemas contendo polímeros e ocorrem sob diversas
condições termodinâmicas, podendo ocorrer em soluções aquosas ou não-
aquosas, formadas por dois componentes dentro de uma faixa de
temperatura e concentração, ou em misturas ternárias de um polímero e dois
solventes distintos e, até mesmo, em mistura de dois ou mais polímeros sem
a presença de qualquer solvente [1]. Os primeiros relatos sobre sistemas aquosos bifásicos foram feitos
por Beijerinck em 1896. Estes sistemas eram formados partindo-se de uma
mistura de soluções aquosas de gelatina e agar ou gelatina e amido [2]. (Albertsson)Uma característica sem igual deste sistema bifásico é que
ambas as fases são formadas predominantemente por água, além disso, a
diferença entre as densidades das fases é pequena e, a tensão interfacial
entre elas fica na ordem de 10-4 a 10-1 mN.m-1 [3]. As propriedades dos sistemas aquosos bifásicos, possibilitam sua
utilização na partição e purificação de materiais biológicos como células,
organelas, enzimas, proteínas, etc. Note que o uso de sistemas bifásicos do
tipo água/óleo, para tais separações biológicas, em geral não podem ser
utilizados, devido à possível desnaturação do componente biologicamente
ativo em meios não aquosos [3]. Diversos fatores influenciam a formação de duas fases durante o
processo de mistura de soluções aquosas de dois polímeros (ou de um
polímero e de um sal). Esta transição de fases dependerá das interações
intermoleculares - expressas em termos da energia livre - entre os
constituintes formadores do sistema. Serão também estas mesmas
2
interações as responsáveis por todas as propriedades físico-químicas
presentes nas duas fases, como por ex., a distribuição dos diferentes
componentes no sistema, da relação de volumes entre as fases, da
diferença de potencial elétrico e do excesso de energia livre associados à
interface, do coeficiente de partição de um soluto específico, etc [4]. A
avaliação de tais fatores é predominante nas pesquisas na área, uma vez
que até então o preparo de diferentes SAB’s é uma tarefa árdua baseada
apenas em abordagens de tentativa e erro. O presente trabalho se situa
entre as várias contribuições voltadas para o entendimento de tais sistemas.
3
OBJETIVOS GERAIS
Determinar dados de equilíbrio de fases para os sistemas aquosos
compostos por poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1 e os sais sulfato de
cobre e sulfato de zinco, viabilizando sua aplicação para a partição de
compostos orgânicos e inorgânicos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar os dados de equilíbrio de fases, para sistemas aquosos
bifásicos formados por água, poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1 e os sais
sulfato de zinco e sulfato de cobre nas temperaturas de 5, 10, 35 e 45
ºC.
Avaliar a influência da temperatura nos sistemas citados, em função
de alterações na região bifásica, expressas pela inclinação e
comprimento das linhas de amarração.
Estudar a influência do tipo de cátion sobre a formação de sistemas
compostos por poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1 e os sais sulfato de
zinco e sulfato de cobre.
4
CAPÍTULO 1
1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA É bem conhecido o fato de que certas substâncias são mais solúveis
em alguns solventes que em outros, e que existem líquidos que quando
misturados em um recipiente, agitados e deixados em repouso, separam-se
formando camadas. Tais líquidos são ditos imiscíveis ou parcialmente
miscíveis, considerando que eles são insolúveis ou parcialmente solúveis
entre si, ressaltando que líquidos totalmente imiscíveis não existem. Os
sistemas assim formados são sistemas líquidos bifásicos.
Os sistemas líquidos bifásicos têm sido um importante tema de
investigações teóricas e experimentais, principalmente devido à distribuição
de um soluto entre suas fases líquidas imiscíveis. O primeiro estudo
sistemático da partição de solutos em sistemas líquidos bifásicos, que
permitiu o desenvolvimento de uma teoria capaz de prever o comportamento
destes sistemas, foi realizado por Berthelot e Jungfleisch em 1872.
Estudando a partição de I2 e Br2 no sistema bifásico água / dissulfeto de
carbono e a distribuição de ácidos orgânicos no sistema água / éter etílico,
descreveram, pela primeira vez, o princípio fundamental de que a razão das
concentrações de um soluto distribuído entre dois solventes imiscíveis era
constante e não dependia do volume relativo das fases do sistema. Contudo,
verificaram que certos sistemas não obedeciam esta “regra”, mesmo em
soluções diluídas [5]. Neste aspecto, em 1891, Nernst enfatizou o fato de que o coeficiente
de partição deveria manter-se constante somente no caso da partição de
uma única espécie molecular entre as duas fases. Fatores como a
dimerização da espécie estudada na fase orgânica ou a sua ionização na
fase aquosa deveriam ser usados na correção dos valores da sua
concentração em suas respectivas fases. Deste modo, verificou-se que o
coeficiente de partição do ácido benzóico no sistema água / benzeno era
corretamente expresso pela equação:
5
( )
( )
constanteFO
FA
CC
= (1)
Em que C(FO) é a concentração de ácido benzóico na fase orgânica
(encontrado principalmente na forma de dímero), C(FA) é a concentração de
ácido benzóico na fase aquosa e a constante obtida é resultante do
coeficiente de partição do monômero de ácido benzóico e da constante de
dimerização deste ácido na fase orgânica. Uma vez que, nas concentrações
empregadas, a maior parte do ácido benzóico na fase orgânica forma
dímeros, a concentração de monômero nesta fase é proporcional à raiz
quadrada da sua concentração total nesta fase.
No aspecto tecnológico, a aplicação dos sistemas líquidos bifásicos
possibilitam importantes meios para os processos de extração, e têm sido
usados no isolamento de produtos naturais. Também são descritos na
literatura sistemas multifásicos (três e quatro fases) que pela maior faixa de
polaridades e propriedades químicas abrangidas pelas fases, são mais
seletivos, comparados aos sistema água/óleo e aquosos bifásicos, podendo
ser ajustados a diferentes propósitos [6,7,8]. Na purificação de biomoléculas e íons, os sistemas aquosos bifásicos
têm grande importância. Estes sistemas têm sido usados com sucesso na
separação de várias entidades biológicas, tais como células, organelas e
proteínas. Nos sistemas aquosos bifásicos, proteínas e outros materiais
sensíveis podem ser separados com baixo risco de desnaturação [9,10,11].
1.1 – Sistemas aquosos bifásicos
Em certos estados termodinâmicos, soluções aquosas de alguns
polímeros podem apresentar o fenômeno de turvação com a conseqüente
formação de duas fases, que permanecem em equilíbrio e, que possuem a
água como componente majoritário [12]. Estes tipos de fenômenos são
relativamente raros em soluções aquosas que se encontram em
6
temperaturas compatíveis com a manipulação de materiais biológicos [13]. Outra possibilidade de formação de sistemas bifásicos ocorre quando se
adiciona um terceiro componente, que pode ser de baixa massa molar ou
uma outra macromolécula.
Sistemas Aquosos Bifásicos (SAB’s) foram primeiramente relatados
na literatura por Beijerinck, em 1896, segundo Diamond & Hsu (1992). Ele
descobriu que misturando-se gelatina, ágar e água em certas
concentrações, forma-se um SAB, com a fase superior rica em gelatina e a
inferior rica em ágar. Nas décadas de 40 e 50, Craig & Craig foram os
primeiros a utilizar sistemas aquosos bifásicos e sistemas orgânicos
bifásicos para purificação de proteínas, usando-se distribuição em contra-
corrente. Entretanto, somente em 1955, Per-Ake Albertsson descobriu que
poli (etileno glicol) (PEG), dextrana e água; PEG, fosfato de potássio e água
formavam duas fases, que são os sistemas mais freqüentemente estudados
e utilizados atualmente para purificação de biomoléculas. Albertsson
observou que além da separação de fases, ocorria a partição do biomaterial.
SAB’s oferecem um meio adequado para partição de células, organelas
celulares e proteínas ativas biologicamente. Nos últimos 50 anos, muitos
pesquisadores têm aplicado estes sistemas à separação em escala de
laboratório de proteínas, células, organelas celulares, vírus, fragmentos da
membrana celular e outros materiais biológicos [14]. As duas fases que constituem o SAB, se encontram em um equilíbrio
termodinâmico, não havendo mais troca de matéria ou energia resultante
entre as fases e o fluxo resultante de matéria ou de energia, indo da fase
inferior para a fase superior (ou vice-versa), é nulo; porém, estas fases
possuem propriedades intensivas diferentes, como índice de refração,
entalpia molar, composição, densidade e viscosidade. Este equilíbrio é
mantido desde que certas condições termodinâmicas, como temperatura e
pressão, sejam constantes.
As duas possibilidades mais comumente encontradas na composição
dos SAB’s são as que se utilizam de dois polímeros diferentes ou de um
7
polímero e um soluto de pequena massa molar, geralmente um sal. Na
tabela 1 são encontrados vários exemplos destes sistemas.
Tabela 1 – Sistemas aquosos bifásicos e seus componentes.
A – Sistemas polímero-polímero-água Polímero Polímero Poli (propileno glicol) Metoxipolietileno glicol Poli (etileno glicol) Álcool polivinílico Polivinilpirrolidona Hidroxipropil dextrana Dextrana Hidroxipropil amido Maltodextrina Poli (etileno glicol) Álcool polivinílico Polivinilpirrolidona Dextrana Ficoll Pululana
Poli(N-vinil-2- pirrolidona)
Álcool polivinílico Metilcelulose Hidroxipropil dextrana Dextrana Polivinilpirrolidona Metilcelulose Dextrana Metilcelulose Hidroxipropil dextrana Dextrana Etilhidroxietilcelulose Dextrana Hidroxipropil amido Hidroxipropil dextrana Dextrana Ficoll Dextrana Copolímero Poli (óxido de etileno) Maltodextrina -poli (óxido de propileno)
8
Tabela 1: (continuação) B – Polímero-soluto de pequena massa molar-água Polímero Soluto de pequena massa molar Poli (etileno glicol) Fosfato de potássio Aminoácido Mono/Dissacarídeo Peptídeo/Proteína Cloreto de sódio Glicose Glicerol
Citrato de sódio Sulfato de sódio
Metoxipoli (etileno glicol) Fosfato de potássio Álcool polivinílico Butilcelosolve Polivinilpirrolidona Butilcelosolve Dextrana Álcool propílico Dextrana sulfonato de sódio Cloreto de sódio Fontes: Alves, 2003 [14] e da Silva e Loh, 2006 [4]
A separação de fases entre duas soluções aquosas de polímeros só
ocorrerá se a energia livre de Gibbs do sistema for minimizada; se este fato
ocorre quando os polímeros estão em fases distintas, a interação entre as
moléculas dos dois polímeros é de caráter repulsivo, estando o sistema em
um estado energeticamente favorável quando estas se encontram
separadas [15]. Para um SAB do tipo polímeroa/polímerob/água, produzido a partir de
uma determinada composição global, geralmente definida em termos de
porcentagem em massa, % (m/m), observa-se que uma das fases formadas
será rica em um polímero e a outra, rica no outro polímero. Em ambas,
geralmente, predomina a água (Figura 1) [16].
9
Fonte: Chung, 1997 [17]
Figura 1: Sistema aquoso composto por PEG e Levana.
É interessante destacar que, à medida que o número de diferentes
componentes aumenta, abrem-se possibilidades para formação de sistemas
polifásicos. Em 1998, foi descoberto que a adição de CH2Cl2 a um SAB
formado por Na2SO4/PEG/H2O resultava em um sistema trifásico, em que a
fase mais densa era formada pela mistura H2O/Na2SO4, a fase intermediária
era composta por PEG/CH2Cl2, enquanto a fase superior era formada por
PEG/H2O. A adição de n-hexano, a este sistema trifásico, gerava um
sistema tetrafásico em que a nova fase era a menos densa e formada pela
mistura CH2Cl2/n-hexano [4]. Das propriedades termodinâmicas dos SAB’s, uma das mais
importantes na partição de biomateriais, e outros compostos de interesse, é
a sua baixa tensão interfacial. Essa característica, permite a passagem
desses materiais a serem particionados, de uma fase para a outra, com um
mínimo de perturbação em suas estruturas.
Fase rica em PEG
Fase rica em Levana
10
1.1.1 – Tensão interfacial Quando um líquido é colocado em contato com um outro, a tensão
interfacial entre os fluidos fica reduzida, (quando comparada as tensões
interfaciais entre esses líquidos e o ar), em função das forças de atração
entre as moléculas do primeiro fluido com as do segundo. Essas forças
tendem a misturar os dois líquidos e quando a mistura não ocorre (como é o
caso de fluidos imiscíveis), significa que as forças entre moléculas idênticas
em cada fluido predominam sobre elas. A razão da imiscibilidade é
normalmente encontrada na diferença entre as forças de coesão das
moléculas nos dois líquidos [18]. Segundo Castellan [19], a tensão interfacial entre duas fases líquidas,
α e β, é designada por αβγ . Considerando que a interface tenha área
unitária; se as duas fases forem afastadas até se separem, será formado
1 m2 de uma superfície da fase α pura com energia de Gibbs superficial Vαγ e 1 m2 de uma superfície da fase β pura com energia de Gibbs
superficial Vβγ (Figura 2). A variação da energia livre de Gibbs (∆G) nesta
transformação, expressa pelo aumento de G, é:
V VAG wαβ α β αβγ γ γΔ = = + − (2)
Figura 2: Tensão interfacial.
Fase α
Fase α
Fase β
Fase β
Interfaces
αβγ
Vαγ Vβγ
11
Este aumento na energia de Gibbs é chamado de trabalho de adesão,
Awαβ , entre as fases α e β. Note que, como as fases puras α e β estão em
contato com a fase vapor, será escrito Vαγ para a tensão interfacial entre α e
a fase vapor. Da mesma forma Vβγ é a tensão interfacial entre β e a fase
vapor em equilíbrio.
Se uma coluna da fase pura α for seccionada, será formado 2 m2 de
superfície e
2 VCG wα αγΔ = = (3)
Este aumento na energia de Gibbs, Cwα , é chamado de trabalho de
coesão de α. Da mesma forma, 2 VCwβ βγ= . Portanto:
1 12 2C C Cw w wαβ α β αβγ= + − (4)
ou
( )12 C C Cw w wαβ α β αβγ = + − (5)
À medida que a energia de Gibbs de adesão entre as fase α e β
aumenta, αβγ diminui. Quando αβγ = 0, não há resistência ao aumento da
interface entre as fases α e β; e os dois líquidos misturam-se
espontaneamente.
É interessante notar que a tensão interfacial, γ , para sistemas líquido-
líquido do tipo água/óleo tem seus valores de tensão muito superiores aos
valores de γ encontrados em sistemas aquosos bifásicos. Para aplicação
em processos de separação de biomoléculas, este pequeno valor de
excesso de energia livre de Gibbs, por unidade de área, possibilita a
transferência das biopartículas pela interface com um risco mínimo de
ocorrerem alterações estruturais nas proteínas, células e membranas
particionadas [4]. As tabelas 2 e 3 mostram valores de γ para os dois tipos
de sistema.
12
Tabela 2 – Tensão Interfacial
Tensão interfacial entre a água (α) e vários líquidos (β), a 20 ºC *
Líquido αβγ (10-3 N.m-1)
Hg 375,0 n-C8H18 50,8 C6H6 35,0 C6H5CHO 15,5 C6H13COOH 7,0 n-C4H9OH 1,8
Tensão interfacial em SAB’s **
Tipo de SAB SABγ (10-6 N.m-1)
Polímero-polímero 0,5 a 500 Fonte: * Castellan [19], ** Zaslavsky [20].
Tabela 3 – Tensão Interfacial em SAB’s formados por PEG, K2HPO4 e água
SABγ (10-4 N.m-1)
Linhas de amarração Sistema
1 2 3 4 5
A 1,15 1,77 2,75 3,71 4,78 B 0,98 1,85 3,38 4,71 6,45 C 1,70 2,24 3,98 7,59 12,6 D — 11,53 22,05 22,94 4,03 E 1,49 3,39 4,32 — 9,03
A - PEG 4000 – K2HPO4 – água, sistema a 298,15 K.
B - PEG 6000 – K2HPO4 – água, sistema a 298,15 K.
C - PEG 20 000 – K2HPO4 – água, sistema a 298,15 K.
D - PEG 6000 – K2HPO4 – água, sistema a 288,15 K.
E - PEG 6000 – K2HPO4 – água, sistema a 308,15 K.
Fonte: Mishima [21].
13
Observando os dados contidos nas tabelas, pode-se notar que as
tensões interfaciais entre a água e os líquidos com elevada miscibilidade,
como o n-butanol (n-C4H9OH), têm valores relativamente baixos; mas
mesmo assim ainda são altos quando comparados com os valores de tensão
interfacial para sistemas aquosos bifásicos (polímero/polímero). A tensão
interfacial em sistemas aquosos poliméricos se encontra em uma faixa de
valores entre 0,5 e 500x10-6 N.m-1, o que corresponde a duas ou três ordens
de magnitude menores do que os encontrados para sistemas formados por
água/solventes orgânicos [20]. Segundo da Silva e Loh [4], nos trabalhos pioneiros de Ryden e
Albertsson, em 1971 [22], já eram relatados comportamentos característicos
da γ em função de duas variáveis termodinâmicas: o comprimento da linha
de amarração (CLA) e a massa molar dos dois polímeros. Estes autores
mostraram existir uma relação simples entre a tensão interfacial e estas
duas características dos SAB’s formados, conforme a equação 6
( )ba CLAγ = (6)
Em que a e b são constantes dependentes da massa molar das
macromoléculas formadoras dos SAB’s. Os valores de γ permaneceram
entre 6,55×10-5 e 4,6×10-7 N m-1, sendo que os valores menores pertencem
a composições mais próximas ao ponto crítico. Estudando o mesmo sistema,
Bamberg e colaboradores [23], propuseram uma relação exponencial entre a
tensão interfacial e a diferença de composição entre as duas fases, expressa
pelo comprimento da linha de amarração (CLA)
( )d CLAceγ = (7)
em que c e d são constantes. Entretanto, uma limitação clara da Equação 7
é o fato de que ela prevê um valor finito para a tensão interfacial quando o
sistema se encontra na composição do ponto crítico e isto fisicamente não
14
faz sentido. No ponto crítico, as diferenças entre todas as propriedades
termodinâmicas intensivas de cada fase tornam-se inexistentes e,
conseqüentemente, o valor da tensão interfacial se iguala a zero [4].
1.1.2 – Diagramas de fases
Os dados de equilíbrio líquido-líquido são normalmente apresentados
por meio de diagramas de fases, ou diagramas de equilíbrio, que são
representações gráficas descritivas do comportamento do sistema em
diferentes condições. Os diagramas de equilíbrio podem ser construídos
empregando tanto o sistema de coordenadas retangulares quanto
triangulares, sendo que no primeiro, a concentração do solvente está
implícita no diagrama [15,20]. Nos diagramas de fases, são representadas as composições dos
sistemas em que ocorre, ou não, a separação de fases, indicando em qual
composição global o sistema encontra-se bifásico ou monofásico. As Figuras
3 e 4 mostram dois tipos de diagramas. O primeiro expresso em
coordenadas triangulares e o segundo em coordenadas cartesianas
(retangulares). Os três vértices do triângulo eqüilátero representam,
respectivamente, os componentes 1, 2 e 3 (água) puros. Os lados do
triângulo representam sistemas binários, constituídos pelo componente 1 +
água, componente 1 + componente 2, e componente 2 + água. Os pontos
internos do triângulo representam misturas dos três componentes. A
porcentagem de cada componente, em uma mistura, é lida ao longo da linha
perpendicular no lado oposto do ápice correspondente [24] .
15
0 20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100 0
20
40
60
80
100
H2 O
(%m/m)
Comp
onen
te2 (
%m/
m)
Componente 1 (% m/m)
Região Bifásica
Linha de amarração
Região Monofásica
Curva Binodal
Figura 3: Diagrama de fase em coordenadas triangulares
O tipo de representação gráfica utilizada neste trabalho será a de
coordenadas cartesianas, que é a mais comum na literatura existente sobre
sistemas aquosos bifásicos [20]. No diagrama apresentado na Figura 4, são plotadas as concentrações
do componente 1, geralmente o majoritário na fase inferior, no eixo das
abscissas e do componente 2, majoritário na fase superior, nas ordenadas.
O ponto A fornece as composições dos componentes 1 e 2 na fase superior
enquanto que o ponto C, as composições na fase inferior. A linha binodal
(curva A,Pc,C) informa em quais composições globais o sistema é
homogêneo e em quais é heterogêneo. Todas as misturas que têm
composições representadas por pontos acima e à direita da binodal dão
origem à separação de fases, enquanto que as misturas representadas
pelos pontos abaixo e à esquerda da binodal não originam separação de
fases [20,2]. Também são representadas as linhas de amarração, retas que
ligam pontos no diagrama que representam a composição das duas fases
em equilíbrio. Qualquer conjunto de pontos que pertença à região bifásica e
que esteja sobre a mesma linha de amarração fornecerá fases superiores
16
que possuirão propriedades termodinâmicas intensivas iguais (densidade,
volume molar, entalpia molar, etc.), entretanto, sendo distintas as suas
variáveis termodinâmicas extensivas (massa, volume, etc). A mesma
descrição pode ser feita para as fases inferiores formadas a partir de
composições globais localizadas sobre uma mesma linha de amarração [4].
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
Com
pone
nte
2(%
m/m
)
Componente 1 (% m/m)
Pc
Região Bifásica
Curva Binodal
Região Monofásica
Linha de amarração
A
B
B’’
B’
C
Figura 4: Diagrama de fases expresso em coordenadas retangulares
Uma característica importante em um diagrama de fases é a
inclinação da linha de amarração (ILA). A ILA é uma medida de como a
composição das fases pode variar com a alteração de uma propriedade
físico-química, como a massa molar e a temperatura, por exemplo. O valor
da inclinação pode ser calculado por:
S I
S I
P PILA
S S
⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎣ ⎦ ⎣ ⎦=⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎣ ⎦ ⎣ ⎦
(8)
17
sendo [P] e [S] as concentrações de polímero e sal, respectivamente. Os
sobrescritos S e I representam a fase superior e a fase inferior [15]. Considerando sucessivas linhas de amarração (paralelas entre si) de
forma que elas diminuam, em comprimento, até que os dois pontos A e C
coincidam, chega-se ao ponto crítico (Pc), sendo a composição
representada pelo ponto Pc denominada composição crítica. Neste ponto, as
composições e os volumes das duas fases teoricamente tornam-se iguais.
Logo, uma mudança muito pequena na composição global, de baixo para
cima em relação à Pc significa uma mudança do sistema de monofásico
para bifásico, com o volume das duas fases formadas muito próximos à
igualdade. Pode-se dizer que as propriedades termodinâmicas intensivas e
extensivas das fases em equilíbrio, no ponto crítico, são iguais [24]. Outro parâmetro termodinâmico importante é o comprimento da linha
de amarração (CLA), geralmente utilizado como variável determinante dos
processos de partição dos solutos em SAB’s formados por diferentes
componentes, sendo calculado como segue:
( ) ( ) ( ) ( ){ }0,52 2
1 1 2 2FS FI FS FICLA C COMP C COMP C COMP C COMP⎡ ⎤ ⎡ ⎤= − + −⎣ ⎦ ⎣ ⎦ (9)
em que C(COMP1)FS, C(COMP1)FI, C(COMP2)FS e C(COMP2)FI são as
concentrações (% m/m) dos componentes do SAB nas fases superior (FS) e
inferior (FI), respectivamente. Com o aumento do valor do parâmetro CLA,
aumenta a diferença entre a fase superior e a inferior, em termos de
propriedades termodinâmicas intensivas [4]. Deve-se ainda mencionar que, como em sistemas aquosos ternários
uma mudança na composição das duas fases é também resultado de uma
alteração do ponto de mistura (composição global do sistema), uma maneira
simples de construção de um diagrama de fases é através da determinação
da composição das fases em equilíbrio para uma série de sistemas com
pontos de mistura em linhas de amarração diferenciadas [20].
18
1.1.3 – Efeito da temperatura sobre o equilíbrio de fases
As propriedades termodinâmicas entalpia e entropia dos sistemas
devem ser analisadas para verificar o efeito da temperatura sobre a
separação de fases.
Considerando o efeito da temperatura na constante de equilíbrio (K)
de formação da interação Sal-PEG após a saturação do polímero:
Segundo da Silva e Loh (2000) [25], a interação entre os íons do sal e
o polímero, na formação do SAB, ocorre com absorção de energia, ou seja,
esta interação é endotérmica. Assim, o aumento da temperatura favorece a
formação dos produtos e aumenta a intensidade da interação Sal-PEG
(Equação 10):
Sal + PEG ↔ [Sal – PEG] ΔH > 0 (10)
sendo que
[ ][ ][ ]Sal PEG
KSal PEG
−=
Desta forma, o favorecimento da interação Sal-PEG levaria à
diminuição na quantidade de sal a ser adicionado ao sistema para que
ocorresse a formação do sistema aquoso bifásico. Entretanto, o aumento da
temperatura leva à diminuição da quantidade de sal e conseqüente aumento
da região bifásica do diagrama de equilíbrio. Assim, deve-se analisar a
influência da temperatura quanto à entropia.
Quando energia na forma de calor é fornecida ao sistema e a sua
temperatura aumenta, a energia interna aumenta, elevando a energia
cinética média das moléculas. Deste modo, as moléculas estão mais livres
para se movimentarem na solução, ocorrendo também um incremento na
sua entropia configuracional.
Ao mesmo tempo, a entropia conformacional do polímero aumenta,
pois a elevação da temperatura provoca o enovelamento da cadeia do poli
(etileno glicol). Isto ocorre devido à transição das ligações carbono-carbono
19
da forma TRANS (caracterizada pela conformação linear da macromolécula
em decorrência das suas interações com as moléculas de água) para a
forma CIS (enovelada) diminuindo o número de sítios ativos disponíveis para
as interações com os íons do sal. Desta forma, a quantidade de sal
necessária à saturação energética da cadeia do polímero e,
conseqüentemente, à formação do sistema aquoso bifásico, diminui,
deslocando a curva binodal para regiões mais próximas aos eixos do
diagrama de equilíbrio [15]. Zafarani-Moattar e Gasemi [26] investigaram o efeito da temperatura
nas curvas binodais em sistemas aquosos bifásicos formados por PEG 6000
e (NH4)2HPO4 ou Na2HPO4. Eles verificaram que a área bifásica é expandida
com o aumento da temperatura. Adicionalmente, a inclinação e o
comprimento de todas as linhas de amarração aumentaram com o aumento
da temperatura. Resultados similares foram obtidos por Voros e
colaboradores [27], Mishima e colaboradores [28], e Zafarani-Moattar e
Hamidi [29] para outros SAB’s contendo PEG e sal.
Comparando SAB’s formados por PEG 6000 e Na2HPO4 ou NaH2PO4,
Zafarani-Moattar e Sadeghi [30] também verificaram que a área bifásica é
expandida com o aumento da temperatura. Entretanto, com concentrações
mais altas de polímero as binodais se cruzam e o efeito da temperatura é
revertido, ocorrendo um aumento da região monofásica com a elevação da
temperatura. Mishima e colaboradores [28], observando as binodais de
SAB’s formados por PEG 6000 e K2HPO4, obtiveram resultados similares
nas regiões de altas concentrações de PEG.
Zafarani-Moattar e Sadeghi [30] verificaram que a inclinação e o
comprimento das linhas de amarração aumentam com a elevação da
temperatura, isto porque as composições das fases em equilíbrio mudam
com a variação da temperatura. O aumento da temperatura nos SAB’s
formados por PEG e sal causará um incremento na concentração de PEG na
fase superior e uma diminuição da concentração de sal na fase inferior.
Resultados similares foram obtidos por Voros e colaboradores [27] e
Mishima e colaboradores [28] para outros SAB’s contendo PEG e sal.
20
1.1.3 – Efeito da massa molar do polímero sobre o equilíbrio de fases
Em se tratando da massa molar do polímero, quanto maior a massa
molar, menor a concentração requerida para a separação de fases, e ainda,
quanto maior a diferença no tamanho molecular entre os dois polímeros,
mais assimétrica será a curva binodal [2,31]. Albertsson [2] observou
também que quanto maior a massa molar do polímero formador do SAB
menor será a concentração requerida do segundo componente, seja ele um
outro polímero ou um sal, para que ocorra a separação de fases.
Estudos com sistemas aquosos compostos por citrato de sódio + PEG
de diferentes massas molares, em pH 9,2 e a 22°C, mostraram que as
curvas binodais se tornaram assimétricas e mais próximas da origem com o
aumento da massa molar do PEG e, conseqüentemente menores
concentrações de PEG eram necessárias para que ocorresse a separação
de fases [32] Em outros trabalhos, como os de Ananthapadmanabhan e Goddard
[3], Lei et al. [33], Forcinit et al. [34], Voros et al. [27], da Silva et al. [35], da
Silva e Meirelles [36] e Zafarani-Moattar e Sadeghi [30], foi também
observado o mesmo comportamento, ou seja, aumento da região bifásica
como conseqüência da maior massa molar do polímero constituinte do
sistema.
Analisando as curvas binodais dos sistemas aquosos bifásicos, pode-
se observar o efeito da massa molar do PEG na separação de fases.
Quando a massa molar do PEG é aumentada, as curvas se deslocam para
concentrações menores de PEG e sal. Isso se deve à solubilidade do PEG
diminuir com o aumento da massa molar. De fato, com massas molares
maiores de PEG, a fase rica em PEG atinge a saturação em concentrações
de PEG relativamente baixas já que as moléculas de PEG são maiores.
Essa tendência foi também observada em outros resultados experimentais
[2, 27, 34, 35].
21
1.1.4 – Efeito do tipo de sal sobre o equilíbrio de fases
A separação de fases em misturas contendo polieletrólitos depende
fortemente da força iônica e do tipo de íon presente no sistema [2]. Considerando SAB’s formados por PEG 6000 e (NH4)2HPO4,
Na2HPO4 e K2HPO4, Zafarani-Moattar e Gasemi [26] verificaram que o
tamanho da região bifásica aumentava quando o tamanho do cátion
diminuía. Os sais empregados compartilhavam o mesmo ânion e continham
cátions monovalentes com raios iônicos de 0,137, 0,133 e 0,098 nm (NH4+,
K+ e Na+, respectivamente).
Zafarani-Moattar e Sadeghi [30] estudaram SAB’s contendo PEG
6000 e os sais NaH2PO4, Na2HPO4 e Na3PO4. Esses sais compartilham um
cátion comum (Na+), mas contêm ânions de carga crescente. O aumento
da carga do ânion de -1 (H2PO4-) para -3 (PO4
3-) diminui a concentração de
sal na qual a separação de fases acontece. Ananthapadmanabhan e
Goddard [3] avaliaram as características dos SAB’s formados por água,
PEG 3350, diferentes ânions em sais de sódio ou diferentes metais em sais
de sulfato. Concluíram que, em relação à indução para formação de SAB, os
ânions dos sais de sódio são classificados na ordem decrescente
PO43- > C6H5O7
3- > SO42- > CO3
2- C4H4O62- > C4H4O4
2- > OH-. Deste modo,
quanto maior for a valência do ânion, menor será a quantidade de sal
necessária à formação do sistema aquoso bifásico.
Quanto à tendência dos sais de sulfato de formarem SAB, a ordem
decrescente é: Al3+ > Na+ > Mg2+ > Fe2+ > Zn2+ > NH4+> Li+.
Esses autores sugerem que ânions com valências mais altas são
melhores agentes formadores de SAB’s do que ânions com valências
menores, devido ao fato de que ânions de valências maiores necessitam de
um número maior de moléculas de água de solvatação do que os ânions de
valências menores, diminuindo assim, a quantidade de água disponível para
solvatar o PEG. Esse comportamento foi predito teoricamente por Kenkare e
Hall [37] .
22
Considerando sais formados pelo mesmo cátion e ânions diferentes
com a mesma valência (NaH2PO4 e NaHSO4), pode ser verificado que a
eficiência na formação de fase é aumentada de NaHSO4 para NaH2PO4,
devido a solubilidade do NaH2PO4 em água ser menor do que a do NaHSO4.
1.2 – Componentes dos sistemas aquosos bifásicos
1.2.1 – Poli (etileno glicol) (PEG)
O poli (etileno glicol), HO-(CH2-CH2-O)n-H, é um polímero sintético,
hidrofílico, não iônico e, juntamente com outros polímeros sintéticos,
constitui a base para as indústrias de plásticos, embalagens, fibras,
adesivos, tintas e esmaltes [38]. Devido ao seu caráter atóxico, pode também ser utilizado em
cosméticos, alimentos e produtos farmacêuticos. É empregado na separação
de macromoléculas biológicas por meio da extração líquido-líquido e da
precipitação. Pode ser considerado o melhor agente precipitante na
produção de cristais de proteínas, etapa decisiva na determinação da
estrutura molecular das mesmas [39].
A maioria dos polímeros sintéticos é composta por moléculas que
contêm centenas ou milhares de grupos de átomos interligados chamados
de unidades. A macromolécula de PEG é formada por apenas um tipo de
unidade repetida e por isto é chamado de homopolímero. Quando esta é
formada por mais de um tipo de unidade repetida é chamada de copolímero.
Em seu estado cristalino, a cadeia de poli (óxido de etileno) apresenta
conformação helicoidal contendo sete unidades químicas (-CH2CH2-O-) e
duas rotações em torno da cadeia a cada 19,3 Å [38].
23
1.2.2 – Sulfato de zinco e sulfato de cobre
O zinco é um metal branco azulado, moderadamente maleável e dúctil
a 110-150 ºC. Funde a 410 ºC e seu ponto de ebulição é 906 ºC [40]. Nos
seus compostos, o único estado de oxidação importante é o 2+. O íon do
zinco (Zn2+), em solução aquosa é um íon tetraaquo tetraédrico (quatro
moléculas de água à sua volta, em um geometria tetraédrica), e sua solução
é ácida devido à hidrólise [41]. O sulfato de zinco é um sal comumente encontrado na sua forma
hidratada. O sulfato de zinco heptatahidratado (ZnSO4.7H2O) é um sal
cristalino, incolor, inodoro, solúvel em água formando soluções de pH
aproximadamente igual a 4,5, decompõe-se em temperaturas acima de 500
ºC e, em temperaturas acima de 280 ºC, perde todas as moléculas de água
de cristalização [42]. O cobre é um metal vermelho pálido, macio, maleável e dúctil. Funde
a 1038 ºC, sendo um excelente condutor elétrico (o melhor depois da prata).
Nos compostos, mostra ter dois estados de oxidação, +1 e +2, sendo o
estado +2 o mais importante. O íon cúprico (Cu+2) forma um
hexaaquocomplexo azul no qual duas moléculas de água estão mais
distantes do cobre que as outras quatro, formando a estrutura de um
octaedro tetragonalmente distorcido [40,41]. O sulfato de cobre pode se apresentar como um sólido branco, azul
ou esverdeado, é inodoro e solúvel em água. É usualmente fornecido na
forma pentahidratada (CuSO4.5H2O). Acima de 110 ºC, este sal perde água
de cristalização formando o sulfato de cobre monohidratado e, acima de
250 ºC, perde toda a água de cristalização [43].
24
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 – Reagentes
Poli (etileno glicol) (PEG) 6000 g.mol-1 (ISOFAR, Brasil)
Sulfato de zinco heptaidratado (VETEC, Brasil)
Sulfato de cobre anidro (NUCLEAR, Brasil)
Sulfato de cobre pentaidratado (VETEC, Brasil)
2.2 – Equipamentos
Balança analítica M-310 (Denver Instrument, USA)
Banho termostático TE-184 (TECNAL, Brasil)
Banho termostático C10-B3 (HAAKE, Alemanha)
Centrífuga 5804 (Eppendorf, Alemanha)
Espectrofotômetro de absorção atômica (Varian SpectrAA – 200, Austrália)
Liofilizador (Edwards do Brasil, Brasil)
Purificador de água – (Sistema Milli-Q, Millipore, EUA)
2.3 – Métodos
2.3.1 – Titulação turbidimétrica Anteriormente à preparação dos sistemas aquosos bifásicos,
compostos por PEG/Sal/Água, utilizou-se a técnica da titulação
turbidimétrica, de acordo com metodologia proposta por Albertsson (1960),
para se definir as quantidades de cada componente necessárias para a
obtenção do ponto global de um sistema bifásico. As titulações foram feitas
nas temperaturas de trabalho (5,10, 35 e 45) ºC.
Todas as titulações turbidimétricas foram realizadas como descrito
abaixo.
25
Para o sistema PEG 6000/sulfato de zinco – foi adicionado
aproximadamente, 1 g de uma solução a 50% em massa do PEG, em um
tubo de ensaio de 35 mL, termostatizado à temperatura de 45 ºC (também
foram feitas titulações turbidimétricas à 5, 10 e 35 ºC).
A esta solução foram adicionadas, subseqüentemente, alíquotas de
10 μL de uma solução de sulfato de zinco a 30% em massa, sempre com
agitação, até o surgimento de turvação na solução resultante.
Em seguida, o sistema foi deixado em repouso por alguns minutos até
a confirmação da formação de duas fases e a composição total do sistema
foi anotada.
Ao mesmo sistema foi adicionado 1,0 mL de água, para ocorrer
homogeneização da solução.
Adicionnam-se ao sistema incrementos de 10 μL até nova turvação.
A composição total foi anotada e mais 1,0 mL de água foi adicionada
para que o sistema apresentasse novamente uma única fase.
Este procedimento foi repetido até percorrer uma faixa ampla de
composições e, assim, obter a curva espinodal a partir do diagrama de fases
do sistema.
2.3.2 – Preparo dos sistemas aquosos bifásicos
Os sistemas aquosos bifásicos foram obtidos adicionando-se massas
adequadas de PEG, sal e água deionizada (Sistema Milli-Q, Millipore, EUA),
totalizando uma massa de 40 g. As massas foram adicionadas diretamente
no tubo utilizado como célula de equilíbrio e pesadas em balança analítica. A
mistura foi agitada mecanicamente, por 30 min, sendo posteriormente
centrifugada a 2000 g, por 10 min, acelerando a separação das fases. Após
os procedimentos anteriores, os tubos foram colocados em banho
termostático, mantendo sua temperatura controlada, e mantidos em repouso
durante 24 horas.
26
Para a preparação, por exemplo, de um sistema contendo 9,5% de
sulfato de zinco, 11,5% de PEG 6000 g.mol-1 e 79% de água, que seria
posteriomente mantido a 10 ºC, foi utilizado um tubo de centrifuga como
célula de equilíbrio e, neste tubo, foram pesados, em balança analítica (M-
310, Denver Instrument), 6,8261 g de sulfato de zinco, 4,6171 g de PEG
6000 e 28,5568 g de água. A massa do sulfato de zinco foi ligeiramente
superior à necessária para se atingir a porcentagem em massa descrita
inicialmente, e a massa de água foi ligeiramente inferior, devido ao fato do
sulfato de zinco utilizado ser o sulfato de zinco heptaidratado, contendo sete
moléculas de água em sua estrutura. Para fins de cálculos, a massa de água
agregada ao sulfato de zinco foi descontada de sua massa total pesada e
adicionada à massa de água.
Foram escolhidos cinco pontos globais de mistura para cada uma das
quatro temperaturas em estudo (5, 10, 35 e 45) ºC, e todos os sistemas
aquosos bifásicos preparados com PEG 6000, sulfato de zinco e água
seguiram a descrição acima.
Para os sistemas compostos por PEG 6000, sulfato de cobre e água,
ocorreu somente uma variante em relação ao procedimento descrito para o
sulfato de zinco. Pôde-se medir as massas diretamente quando se utilizou
sulfato de cobre anidro, em uma parte do experimento. O sulfato de cobre
pentahidratado também foi usado e, neste caso, como no do sulfato de zinco
heptaidratado, foi tomado o cuidado de se descontar a massa de água
contida na estrutura cristalina do sal e, adiconá-la à massa total de água.
Todos os SAB’s, soluções e diluições, foram preparados
cuidadosamente utilizando-se água ultra pura (Sistema Milli-Q, Millipore,
EUA) e balança analítica.
27
2.3.3 – Determinação dos dados de equilíbrio
2.3.3.1 – Coleta das fases
Após o preparo dos sistemas, esses foram acondicionados em banho
termostático, durante um período não inferior a 24 h, para que o equilíbrio
fosse atingido e as duas fases se apresentassem límpidas. Após
estabelecido o equilíbrio, partiu-se para a coleta das fases.
A fase superior foi coletada utilizando-se uma seringa (20 mL), sem a
agulha, tomando-se o cuidado de deixar uma pequena camada desta fase,
de aproximadamente 5 mm acima da interface. O motivo deste procedimento
é garantir que a interface não seja perturbada.
A fase inferior foi coletada utilizando-se uma seringa (20 mL), com
agulha longa. A seringa foi introduzida na célula de equilíbrio
cuidadosamente, visando causar a menor perturbação possível à interface
do sistema. Após 1 h em repouso, esperando-se que o equilíbrio fosse
restabelecido, moveu-se o êmbolo da seringa, vagarosamente, sugando
assim a fase inferior e tomando-se o cuidado de que restasse na célula de
equilíbrio uma camada desta fase, evitando-se a sucção da fase superior.
As fases coletadas foram acondicionadas em recipientes com tampas
e armazenadas sob refrigeração até que as análises fossem realizadas.
Cada fase do sistema teve seus componentes quantificados e os diagramas
de equilíbrio foram construídos.
2.3.3.2 – Densidade
As densidades das fases foram medidas, em cada uma das
temperaturas dos sistemas, usando picnômetros de 10 cm3, calibrados
inicialmente com água. A temperatura ambiente foi anotada, pois este dado
é necessário para se conhecer a densidade da água. Deverão ser
conhecidos, então, a massa do picnômetro vazio e seco ( .pic vaziom ), a massa
28
do picnômetro com água ( pic águam + ) e a densidade da água ( águaρ ), para se
calcular o volume do picnômetro, utilizando a Equação 11.
.pic água pic vazio
água
m mV
ρ+ −
= (11)
Aferido o picnômetro, partiu-se então para a obtenção da densidade
de cada fase. Retirou-se uma amostra da fase, que se encontrava com
temperatura controlada pelo banho termostático, utilizando-se uma seringa,
e transferiu-se para o picnômetro, o qual foi pesado logo em seguida. De
posse dos dados da massa do picnômetro com a massa da amostra
( pic amostram + ), massa do picnômetro vazio ( .pic vaziom ) e do volume do picnômetro
(V ), pode-se calcular a densidade das fases ( faseρ ) pela Equação 12.
.pic amostra pic vaziofase
m mV
ρ + −= (12)
2.3.3.3 – Volume das fases
Foram utilizados dois métodos para a determinação dos volumes
ocupados pelas fases dos sistemas em cada célula de equilíbrio.
Em um dos métodos, obteve-se uma relação entre a altura da coluna
de água atingida pela fase e a sua massa correspondente. Utilizando-se a
densidade da água na temperatura na qual foram feitas as medidas e a
relação ρ = m/V, pôde-se construir uma curva analítica relacionando a altura
da coluna de água em função do volume ocupado pela mesma (este
procedimento foi feito para cada um dos tubos utilizados, calibrando-os).
Para saber qual era o volume das fases, media-se com uma régua as alturas
referentes a cada uma. No caso da fase inferior era medido a altura da base
do tubo até a interface do sistema e, com este valor, calculava-se o seu
29
volume. Para a fase superior era utilizado a altura total ocupada pela sistema
subtraída da altura equivalente à interface. Essa diferença era então
utilizada para obter o volume da fase superior.
O outro método consistia em marcar um tubo plástico de 50 mL (tubo
de centrífuga), utilizado como célula de equilíbrio, nos pontos onde se
encontravam a superfície do sistema e também a interface entre as duas
fases líquidas. O SAB era então retirado dos tubos, cada uma das fases
tinha sua densidade determinada e eram devidamente separadas e
acondicionadas em frascos com tampas. Os tubos passavam por uma
lavagem e uma secagem, tomando-se cuidado para não apagar as marcas
das fases. Após secos, eram levados para uma balança analítica que era
zerada com o tubo sobre seu prato, adicionava-se água até a marca da
interface (equivalente ao volume da fase inferior) e anotava-se a massa;
mais água era adicionada até que seu nível atingisse a marca referente à
superfície do sistema e novamente, a massa de água era anotada. De posse
do valor da massa total do sistema e da massa de água equivalente a fase
inferior, por subtração se obtinha a massa de água equivalente ao volume
ocupado pela fase superior. Tendo-se em mãos as massas de água
equivalentes aos volumes das fases inferiores e superiores e a densidade da
água na temperatura em que foram realizadas as medidas, pôde-se calcular
o volume ocupado por cada uma das fases.
Foi observado que os resultados obtidos para as massas totais dos
sistemas quando se utilizavam os valores oriundos da calibração dos tubos,
continham, em média, erros de 2% e, quando se utilizavam os valores
vindos do método que utilizava a marcação nos tubos, estes erros eram
raramente maiores que 0,2%, o que levou à escolha do segundo método
como padrão para a obtenção de dados neste trabaho.
30
2.3.3.4 – Quantificação do teor de água A quantidade de água presente em cada fase foi determinada
utilizando a técnica da liofilização. Neste processo, a água sofre sublimação,
pois é submetida a baixas temperatura e valores de pressão.
Tubos de vidro, limpos e secos, de aproximadamente 4 cm de altura e
3 cm de diâmetro foram pesados e tiveram suas massas anotadas.
Adicionou-se, então, aproximadamente 1,0 g da fase e, novamente, anotou-
se a massa. Em seguida, os tubos foram fechados com tampas plásticas
perfuradas (para evitar a projeção do material sólido após a secagem) e a
massa total foi então determinada. Os tubos foram mantidos no congelador à
temperatura de -12 ºC, durante um período não inferior a 24 horas e levados
ao liofilizador, submetidos então à temperatura de -52 ºC e à uma pressão
de 12 N/m2 durante 24 h, para a secagem.
Após a liofilização, todos os tubos foram imediatamente pesados e os
valores usados para calcular a perda de massa. Considerando que toda a
diferença nas massas foi devida à sublimação da água da amostra, pôde-se
calcular a porcentagem de água contida na amostra. A análise foi feita em
duplicata e o desvio padrão calculado posteriormente.
2.3.3.5 – Quantificação do sulfato de cobre e do sulfato de zinco
As concentrações de sulfato de cobre e sulfato de zinco nas fases dos
sistemas aquosos bifásicos foram determinadas de forma indireta pela
quantificação do teor de cobre e zinco, via espectrofotometria de absorção
atômica (Espectrofotômetro Varian SpectrAA-200) para as fases superiores
e inferiores. Na absorção atômica, o elemento a ser determinado é levado à
condição de uma dispersão atômica gasosa através da qual se faz passar,
então, o feixe de radiação de uma fonte apropriada (lâmpada de cátodo
oco). O processo usual consiste em introduzir a solução da amostra, na
forma de um aerossol, em uma chama apropriada. A extensão da absorção,
que se processa a custa de transições eletrônicas do estado fundamental a
31
um estado energético mais alto, é uma medida da população de átomos do
elemento responsável, presente na chama e, portanto, da concentração do
elemento na amostra.
Antes de cada análise, se construiu uma curva analítica para cada
elemento. Para o Zinco as concentrações máximas detectáveis dentro desta
curva, eram de 2 mg/L e, para o Cobre 5,5 mg/L. As quantificações foram
feitas diluindo-se amostras de cada fase, até que a concentração do metal
em solução, tivesse valores dentro da curva analítica. As análises foram
feitas em duplicata e o desvio padrão calculado.
2.3.3.6 – Quantificação do teor de poli (etileno glicol)
A quantificação do poli (etileno glicol) foi feita utilizando os valores
obtidos nas determinações da água e do sal, e por diferença encontrou-se a
porcentagem de PEG.
32
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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http://extoxnet.orst.edu/pips/coppersu.htm >. Acesso em: 11 maio 2006.
38
CAPÍTULO 2
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DA NATUREZA DO SAL NO
EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO DE SISTEMAS AQUOSOS BIFÁSICOS
COMPOSTOS POR POLI (ETILENO GLICOL) 6000, SULFATO DE COBRE
OU SULFATO DE ZINCO E ÁGUA.
RESUMO
Neste trabalho, foram preparados Sistemas Aquosos Bifásicos
(SAB’s) formados por polietileno glicol (PEG) 6000 g.mol-1, sulfato de zinco
ou sulfato de cobre e água. Foram determinadas as composições das fases,
em equilíbrio termodinâmico, em função da temperatura e da natureza do
eletrólito formadar dos SAB’s. Em todos os sistemas, verificou-se um
aumento da região bifásica com a elevação da temperatura. O sal com maior
capacidade de indução de fases foi o ZnSO4.
Palavras-chave: Equilíbrio de Fases, poli (etileno glicol), sulfato de cobre,
sulfato de zinco, temperatura.
39
1 – INTRODUÇÃO
Sistemas Aquosos Bifásicos (SAB’s) foram primeiramente relatados
na literatura por Beijerinck, em 1896. Ele descobriu que, misturando-se
gelatina, ágar e água em certas concentrações, formava-se um sistema
aquoso com duas fases, a fase superior rica em gelatina e a inferior rica em
ágar. Em 1947, um estudo sistemático realizado por Dobry e Boyer verificou
que a separação de fases era comumente encontrada em misturas contendo
polímeros e diferentes solventes. Entretanto, somente em 1955, Albertsson
observou que poli (etileno glicol) (PEG) + dextrana + água e PEG + fosfato
de potássio + água formavam SAB’s. Estes são os sistemas mais
freqüentemente estudados e utilizados atualmente para a purificação de
biomoléculas. Nos últimos 50 anos, muitos pesquisadores têm aplicado
estes sistemas à separação em escala de laboratório de proteínas, células,
organelas celulares, vírus, fragmentos da membrana celular, íons e outros
materiais biológicos 1-4.
Os dois tipos mais comumente encontrados de SAB’s são os
formados por, dois polímeros diferentes ou um polímero e um soluto de
pequena massa molar, geralmente um sal.
São relatados dados de equilíbrio de fases para sistemas aquosos
bifásicos formados por PEG 6000 e sais como Na2HPO45, NaH2PO4
5,
MgSO46, Na2SO4
6, (NH4)2SO46, (NH4)2PO4
7, NH4H2PO47, C6H5K3O7 (citrato
de potássio)2, C4H4Na2O4 (succinato de sódio)8 e CHNaO2 (formato de
sódio)8. Para SAB’s utilizando sulfato de zinco e PEG, foram encontrados
dados sobre as seguintes massas molares do polímero; 10009,10, 20009,10,11,
30009, 340010 e 800012. Foi encontrado apenas um trabalho sobre sistemas
aquosos bifásicos utilizando sulfato de cobre e PEG (3350 g.mol-1)13
Portanto, no presente trabalho foram determinados dados de
equilíbrio para sistemas aquosos bifásicos formados por PEG 6000 g.mol-1,
sulfato de zinco ou sulfato de cobre. Cada sistema foi estudado em quatro
temperaturas diferentes, (5, 10, 35 e 45) ºC, buscando-se avaliar os efeitos
da variação da temperatura e do tipo de eletrólito no equilíbrio de fases.
40
2 – MATERIAS E MÉTODOS
Os materiais empregados foram o PEG 6000 g.mol-1 (ISOFAR.
Brasil), sulfato de zinco heptaidratado (VETEC, Brasil) e o sulfato de cobre
anidro (NUCLEAR, Brasil), todos de grau analítico. Os reagentes foram
utilizados como recebidos, sem qualquer procedimento de purificação
adicional.
Preparo dos SAB’s: os sistemas aquosos bifásicos foram obtidos
adicionando-se massas adequadas de PEG, sal e água, totalizando uma
massa de 40 g. A mistura foi agitada mecanicamente por 30 min, sendo
posteriormente centrifugada (Eppendorf, 5804, Alemanha) a 2000 g por 10
min, acelerando a separação das fases. Após os procedimentos anteriores,
os tubos foram colocados em banho termostático (TECNAL, TE-184,
Alemanha), mantendo sua temperatura constante, com uma incerteza de
± 1 ºC, e deixados em repouso durante 24 h.
Foram determinados dados de equilíbrio partindo de cinco pontos de
composições globais diferentes em cada uma das quatro temperaturas de
estudo, (5, 10, 30 e 45 ºC). Todos os SAB’s, soluções e diluições, foram
preparados cuidadosamente utilizando-se água ultra pura (Sistema Milli-Q,
Millipore, EUA) e balança analítica (Denver Instrument, M-310, USA), com
sensibilidade de 0,1 mg. A densidade foi determinada através do método do
picnômetro.
Quantificação dos teores de água, sal e PEG: A quantidade de
água presente em cada fase foi determinada utilizando a técnica da
liofilização. As amostras foram mantidas no congelador à temperatura de -12
ºC, durante um período não inferior a 24 h, e levadas ao liofilizador (Edwards
do Brasil, Brasil), quando foram submetidas a uma temperatura de -52 ºC e
uma pressão de 12 N/m2 durante 24 h. Após a liofilização todos os tubos
foram imediatamente pesados e os valores usados para calcular a perda de
massa. As concentrações de sulfato de cobre e sulfato de zinco, em cada
umas das fases foram determinadas de forma indireta pela quantificação do
teor de cobre e zinco, via espectrofotometria de absorção atômica
(Espectrofotômetro Varian SpectrAA-200). A quantificação do PEG foi feita
41
utilizando os valores obtidos nas quantificações da água e do sal e, por
diferença, encontrou-se a porcentagem de PEG. Todo experimento foi feito
em triplicata.
3 – RESULTADOS E DISCUSSÃO
As composições globais de equilíbrio, da fase superior e da fase
inferior, dos SAB’s formados por PEG 6000, sulfato de cobre e água, e PEG
6000, sulfato de zinco e água são mostradas nas Tabelas 1 e 2,
respectivamente. Para cada diagrama foram determinados dados para cinco
linhas de amarração.
A estimativa dos desvios padrões encontrados para as análises dos
SAB’s formados por PEG 6000, sulfato de cobre e água, foram de 0,40 para
a quantificação do sal e 0,36 para a quantificação da água. Já para os SAB’s
formados por PEG 6000, sulfato de zinco e água foram de 0,45 para a
quantificação do sal e 2,67 para a quantificação da água. Na Tabela 2 os
valores negativos de frações mássicas encontradas para o PEG em alguns
pontos, foram substituídos por zero. Os valores negativos estavam dentro do
erro experimental.
42
Tabela41: Frações mássicas (% m/m) para os sistemas formados por PEG 6000 g.mol-1, sulfato de cobre e água, em diferentes temperaturas.
TOTAL FASE SUPERIOR FASE INFERIOR Sal PEG Água Sal PEG Água Sal PEG Água
5 ºC 9,01 13,38 77,60 5,38 18,97 72,28 14,91 6,19 75,39 9,26 13,88 76,86 4,81 21,05 71,45 15,73 7,04 74,43 9,50 14,38 76,12 4,07 22,76 70,59 17,25 6,56 73,51 9,75 14,87 75,38 4,09 23,24 69,72 17,39 6,74 72,79
10,00 15,37 74,63 3,79 23,80 69,12 18,58 5,35 72,61 10 ºC
8,39 11,87 79,74 5,13 17,95 74,16 13,83 6,06 77,23 8,75 12,62 78,63 4,32 19,77 72,51 14,85 5,58 76,00 9,13 13,38 77,50 3,78 21,53 71,16 15,67 6,10 74,54 9,50 14,13 76,37 3,66 23,03 69,85 16,42 6,55 73,38 9,87 14,87 75,26 3,42 24,20 69,40 18,08 6,05 72,74
35 ºC 8,04 11,06 80,90 5,20 16,62 74,43 11,82 4,95 79,24 8,55 12,14 79,31 4,08 19,04 72,20 14,72 2,87 77,40 9,04 13,11 77,85 3,75 21,22 70,10 15,36 3,47 75,83 9,55 14,13 76,32 3,55 23,26 67,90 16,18 4,06 74,00
10,06 15,14 74,80 2,47 26,32 65,85 17,74 3,99 72,38 45 ºC
8,98 13,02 78,00 3,25 22,91 69,36 14,80 3,82 76,44 9,54 14,11 76,35 2,63 25,25 67,20 16,26 3,98 74,33 9,98 15,02 75,00 2,44 26,38 65,22 17,34 3,23 72,76
10,53 16,10 73,37 2,00 28,05 63,44 19,02 2,95 70,76 11,04 17,12 71,84 1,77 30,40 61,93 20,37 4,01 69,05
43
Tabela52: Frações mássicas (% m/m) para os sistemas formados por PEG 6000 g.mol-1, sulfato de zinco e água, em diferentes temperaturas.
TOTAL FASE SUPERIOR FASE INFERIOR Sal PEG Água Sal PEG Água Sal PEG Água
5 ºC 10,30 13,18 76,52 4,06 21,85 70,34 17,17 3,67 75,21 10,76 15,25 73,99 3,20 26,16 67,48 19,15 4,09 73,37 11,30 17,48 71,22 1,68 30,55 64,56 22,36 3,53 70,64 11,81 19,61 68,58 1,51 33,72 61,34 24,01 4,22 68,00 12,30 21,76 65,94 1,59 35,78 59,41 25,37 4,95 66,12
10 ºC 9,55 11,50 78,96 5,39 20,20 72,75 14,09 3,46 80,17
10,06 13,97 75,97 3,66 24,00 67,98 17,62 2,09 77,42 10,59 16,49 72,92 2,41 30,18 64,78 19,71 1,34 76,57 11,07 18,97 69,95 1,80 32,36 61,59 22,59 0,46 71,80 11,58 21,44 66,98 1,19 35,55 58,59 24,68 4,55 69,50
35 ºC 11,24 21,24 67,52 1,31 38,21 56,92 23,26 0,00 72,69 11,75 21,82 66,43 1,08 40,73 53,95 24,85 0,00 71,45 12,26 22,33 65,41 0,95 44,81 51,52 25,51 0,00 69,92 12,77 22,82 64,42 0,89 37,23 52,09 26,73 0,00 67,36 13,26 23,32 63,41 0,63 45,80 48,57 28,15 0,00 67,85
45 ºC 14,57 21,64 63,79 0,41 41,38 50,60 26,79 0,57 67,18 15,09 22,71 62,20 0,37 44,67 47,65 27,67 0,82 65,83 15,56 23,81 60,63 0,28 45,44 45,34 28,95 0,96 64,47 16,09 24,89 59,02 0,19 47,43 45,41 29,93 3,73 61,27 16,57 25,98 57,45 0,15 55,16 36,97 32,23 0,00 62,93
44
Os diagramas de fases, Figuras de 1 a 4, apresentam a influência da
temperatura sobre os sistemas estudados.
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
35 ºC
05 ºCPE
G 6
000
(% m
assa
)
CuSO4 (% massa)
Figura51: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de cobre e água, nas temperaturas de 5 e 35 ºC.
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
45 ºC
10 ºC
PEG
600
0 (%
mas
sa)
CuSO4 (% massa)
Figura62: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de cobre e água, nas temperaturas de 10 e 45 ºC.
45
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
PEG
600
0 (%
mas
sa)
35 ºC
ZnSO4 (% massa)
05 ºC
Figura73: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de zinco e água, nas temperaturas de 5 e 35 ºC.
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
0
10
20
30
40
50
60
45 ºC
PEG
600
0 (%
mas
sa)
ZnSO4 (% massa)
10 ºC
Figura84: Dados de equilíbrio de fases para o sistema formado por poli (etileno glicol) 6000, sulfato de zinco e água, nas temperaturas de 10 e 45 ºC.
46
Nos sistemas estudados, o aumento de temperatura provocou o
aumento da região bifásica, caracterizando assim um processo de
separação de fases endotérmico. Resultados semelhantes são encontrados
na literatura para SAB’s formados por PEG 6000 com citrato de potássio2, Na2HPO4
5, NaH2PO45, (NH4)2PO4
7 e NH4H2PO47.
Zafarani-Moattar e Gasemi7, que investigaram o efeito da temperatura
nas curvas binodais, em sistemas aquosos bifásicos formados por PEG
6000 e (NH4)2HPO4 ou Na2HPO4, verificaram também que a separação de
fase ocorre com a absorção de energia.
Segundo da Silva e Loh15, com a mistura de soluções aquosas de sal
e de polímero, ocorre uma interação específica Ion-Eo, induzida por uma
aumento da entropia do sistema. Devido a esta interação ser endotérmica,
um aumento da temperatura desloca o equilíbrio do processo, em direção à
formação do complexo sal-PEG, o que diminui a quantidade de sal
necessária para a formação dos SAB’s.
Na Figura 5 são mostradas, como exemplo, as linhas de amarração
para os SAB’s formados por PEG 6000, sulfato de cobre e água, em todas
as temperaturas de trabalho (5, 10, 35 e 45) ºC. Auxiliando a análise, as
Tabelas de 3 a 6 trazem as inclinações e comprimentos das linhas de
amarração, tanto para o sistema PEG 6000 + sulfato de cobre + água,
quanto para o sistema PEG 6000 + sulfato de zinco + água.
O processo de separação de fase ocorre com a segregação do sal e
do polímero. Um parâmetro que pode expressar esta segregação é a
inclinação da linha de amarração (ILA). O valor da ILA pode ser calculado
por:
S I
S I
P PILA
S S
⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎣ ⎦ ⎣ ⎦=⎡ ⎤ ⎡ ⎤−⎣ ⎦ ⎣ ⎦
(1)
sendo [P] e [S], as concentrações de polímero e sal, respectivamente. Os
sobrescritos S e I representam a fase superior e a fase inferior,
respectivamente14.
50
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
ZnSO4
CuSO4
PE
G 6
000
(% m
assa
)
SAL
Figura117: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 10 ºC.
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50CuSO4
SAL
ZnSO4
PE
G 6
000
(% m
assa
)
Figura128: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 35 ºC.
51
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30 35
PE
G 6
000
(% m
assa
)
CuSO4
ZnSO4
SAL
Figura139: Efeito do tipo de cátion sobre os dados de equilíbrio para o sistema poli (etileno glicol) 6000 g.mol-1, sulfato de cobre ou sulfato de zinco e água a 45 ºC.
Zafarani-Moattar e Sadeghi5 estudaram SAB’s contendo PEG 6000 e
os sais NaH2PO4, Na2HPO4 e, Na3PO4, observando que o aumento da carga
do ânion de -1 (H2PO4-) para -3 (PO4
3-) diminui a concentração de sal na
qual a separação de fases acontece. Ananthapadmanabhan e Goddard13
avaliaram as características dos SAB’s formados por PEG 3350 e diferentes
ânions em sais de sódio ou diferentes metais em sais de sulfato. Concluíram
que, em relação à indução para a formação de SAB’s, os ânions
dos sais de sódio são classificados na ordem decrescente:
PO43- > C6H5O7
3- > SO42- > CO3
2- C4H4O62- > C4H4O4
2- > OH-. Deste modo,
quanto maior for a valência do ânion, menor será a quantidade de sal
necessária à formação do sistema aquoso bifásico. Quanto à tendência
dos sais de sulfato de formarem SAB, a ordem decrescente é:
Al3+ > Na+ > Mg2+ > Fe2+ > Zn2+ > NH4+> Li+. Esses autores postularam que
ânions com valências mais altas são melhores agentes formadores de SAB’s
do que ânions com valências menores, devido ao fato de que ânions de
valências maiores necessitam de um número maior de moléculas de água
52
de solvatação do que os ânions de valências menores, diminuindo assim a
quantidade de água disponível para solvatar o PEG. Considerando sais
formados pelo mesmo cátion e ânions diferentes com a mesma valência
(NaH2PO4 e NaHSO4) pôde ser verificado que a eficiência na formação de
fases é aumentada de NaHSO4 para NaH2PO4, devido a solubilidade do
NaH2PO4 em água ser menor do que a do NaHSO4.
Na intenção de avaliar o comportamento de diferentes cátions em
SAB’s formados por PEG 6000 e (NH4)2HPO4, Na2HPO4 e K2HPO4,
Zafarani-Moattar e Gasemi7 verificaram que o tamanho da região bifásica
aumentava quando o tamanho do cátion diminuía. Os sais empregados
compartilhavam o mesmo ânion e continham cátions monovalentes com
raios iônicos de 0,137, 0,133 e 0,098 nm (NH4+, K+ e Na+, respectivamente).
Os sistemas estudados neste trabalho, apresentaram resultados
condizentes com as considerações feitas acima. Os SAB’s estudados
compartilham o mesmo ânion (SO42-) e tem cátions com valências iguais
(Cu2+ e Zn2+). Como esperado, para explicar a maior região bifásica para o
sistema contendo o Zn2+, o cátion do zinco tem um raio iônico menor. O íon
cúprico (Cu+2), em solução, forma um hexaaquocomplexo azul e seu raio
iônico é de 0,087 nm. Já o íon do zinco, Zn2+, em solução aquosa é um íon
tetraaquo tetraédrico e seu raio iônico é de 0,074 nm18,19,20.
A habilidade de indução a formação de fases do sal pode ser
relacionada com a energia livre de Gibbs de hidratação dos íons (∆hidG)21.
Considerando sais que compartilham o mesmo cátion (Na+), mas possuem
diferentes ânions, pode ser verificado que a habilidade de indução de
formação de fases dos ânions obedece à seguinte ordem: HPO4-2 > SO4
-2 >
C4H4O4-2 > H2PO4
- > OH- > CHO2-. Parece que o melhor efeito de indução
para sistemas contendo PEG pode ser observado quando os íons do sal têm
valor de ∆hidG mais negativo: (SO4-2, -1080 kJ.mol-1 > H2PO4
-, -465 kJ.mol-1
> OH-, -430 kJ.mol-1 > CHO2-, 395 kJ.mol-1)8.
Os efeitos de indução de fases são aditivos e os cátions parecem
seguir o mesmo comportamento descrito para os ânions. Quando são
comparados sais contendo o mesmo ânion, aquele cujo cátion tem o valor
53
mais negativo de ∆hidG é o que tem o melhor efeito na indução de formação
das fases para sistemas com PEG. Pode ser verificado que a capacidade
indutora dos cátions observa a seguinte ordem: Zn+2 > Mg+2 > Na+ > NH4+.
Essa ordem segue diretamente a descrita para os valores de ∆hidG: Zn+2,
-1955 kJ.mol-1 < Mg+2, -1830 kJ.mol-1 < Na+, -365 kJ.mol-1 < NH4+, -285
kJ.mol-1 8. Os dados relacionados acima, são citados por Marcus22, como
valores experimentais de ∆hidG.
O ∆hidG para o Cu2+ é de -2010 kJ.mol-1, que é um valor muito
próximo ao ∆hidG do Zn+2 (-1955 kJ.mol-1), indicando que a pequena variação
na indução da formação de fases, observada nos resultados obtidos neste
trabalho, tem sua origem em outras propriedades destes cátions.
4 – CONCLUSÃO
No presente trabalho, foi analisada a influência da temperatura e do
tipo de sal nos dados de equilíbrio de sistemas formados por PEG 6000 +
sulfato de cobre + água e PEG 6000 + sulfato de zinco + água, nas
temperaturas de (5, 10, 35 e 45) ºC.
Observou-se, de forma geral, o aumento da região bifásica com o
aumento da temperatura.
Houve também um aumento na diferença entre as propriedades
intensivas do sistema com a variação da temperatura, o que pode ser
observado pelos dados de comprimento da linha de amarração.
Quanto ao efeito do tipo de sal, os SAB’s estudados compartilham o
mesmo ânion (SO42-), tem cátions com valências iguais (Cu2+ e Zn2+) e com
valores de ∆hidG de, -2010 kJ.mol-1 (Cu2+) e -1955 kJ.mol-1 (Zn+2). A maior
capacidade de indução de fases foi observada para o sistema formado por
Zn2+. Seu ∆hidG é muito próximo ao do Cu2+ (embora um pouco menos
negativo) o que indica que outros fatores, como menor raio iônico e a maior
solubilidade em água do ZnSO4, parecem contribuir de forma mais efetiva
para o resultado encontrado.
54
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